柴油机油对燃油经济性的影响因素分析

吴章辉,何大礼,赵鹏,姜杨

(东风商用车有限公司技术中心，湖北 十堰 442000)

0 引言

对于重型柴油发动机，在过去的10至15年里，人们一直着重于减少发动机废气中的颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)，这与发动机的燃油经济性相矛盾。在某些情况下，常常以牺牲燃油经济性来优化废气排放，例如，延迟喷射可以降低颗粒物排放但同时降低了燃油经济性。近年来，在美国、日本和欧洲，大多数OEM建立了满足现有排放法规的标准。全球气候变化立法和高涨的燃料成本导致了人们减少对二氧化碳排放的兴趣，并将重点转移到燃料经济性的改善上。燃油经济性的改善逐渐成为重型柴油机制造商关注的焦点，发动机燃烧过程的优化、内部摩擦的减少以及传动系的优化都使得燃油经济性在这些年来有了很大的改进。

有研究表明，通过发动机的技术升级来提髙1%的燃油经济性的成本约为1150美元，采用动力传动系统的优化来提髙1%燃油经济性的成本约为1450美元，而采用节能型润滑油来提髙1%燃油经济性的成本约为80美元。由此可见，采用节能型润滑油是提升柴油车燃油经济性最经济和最易达到的途径之一[1]。

目前，国内有关柴油机油的研究更多地关注降低排放和延长换油期，而针对重型商用车节能型柴油机油的研究几乎还未见报道。为此，本文通过综述近期的国内外文献，分析柴油机油对燃油经济性的影响，为重型商用车提髙燃油经济性提供有力的理论支撑。

1 燃油经济性测试方法

不管在实验室中还是在实际使用中，商用车的燃油经济性测试一直是一个难点。SAE早在1981年就发布了一个测试燃油经济性的道路测试标准，即SAE J1321。这是一个实车跑实际道路的测试方法，测试过程中严格控制测试条件(车辆、天气、道路、交通等)。通过采集燃油消耗量等其他数据来分析被测油品的燃油经济性。日本采用Hino NO4C 发动机测试来评价燃油经济性，这个测试是一个稳态测试，共有30个稳态循环，控制2个机油温度，机油温度包含2个级别 60 ℃和90 ℃， 可以评估新油和旧油的燃油经济性[2]。

Volvo卡车将润滑油对燃油经济性的贡献加入其润滑油规范当中， 建立了Volvo D12D 燃油经济性测试程序。Volvo D12D 燃油经济性测试采用13种工况模式的欧洲稳态循环(ESC)，测量发动机在各种工作条件下的燃油消耗。为了获得代表实际状况的燃油经济性测量方法，Volvo为13种模式的欧洲稳态循环开发了两套专有的加权因子，即长途公路条件和丘陵条件。图1显示了13种模式的欧洲稳态循环的定义，发动机速度被定义为怠速、最大扭矩速度、最大功率速度以及最大扭矩和最大功率点之间的发动机转速。发动机负荷被定义为：怠速状态的0%，其他的点是发动机规定转速下的25%、50%、75%和100%。

图2提供了速度和负载顺序的可视化表示，将参考油和候选油在13种模式下的结果进行对比。在这13个模式上，参考油和候选油各跑5次，平均2～5次的测量结果决定每种模式的燃油消耗。这些数字乘以Volvo专有的加权系数，然后得出一个综合加权燃油经济性。

图113种工况模式的欧洲稳态循环

图2 可视化的速度和负载顺序

Volvo D12D燃油经济性试验是一个重型柴油机燃油经济性的行业标准。采用Volvo欧Ⅲ发动机，具体参数如下：6缸直列配置；12.130 L排量；最大功率338 kW(1800转)；最大扭矩2200 N·m(1200转)。使用15W-30作为参考油。

2 燃油经济性影响因素分析

2.1 添加剂的影响

添加剂是柴油机油重要的组成部分，添加剂的种类和含量决定了机油的性能。摩擦行为是影响燃油经济性的直接因素，为了增加添加剂对摩擦影响的认识，研究人员做了一项评价3种最重要的添加剂(分散剂、清净剂、抗磨剂)对摩擦的影响的研究[3]，见图3～图5。在上述3类添加剂中选择了一些常见的添加剂，用高频往复试验机(HFRR)测量了摩擦系数。结果表明，同一类添加剂之间的摩擦行为存在差异。第二个发现是，添加剂的摩擦特性和温度有关，这表明添加剂的表面化学性质可能会影响摩擦。

图3不同分散剂对摩擦的影响

图3显示了不同温度下各个试验油的摩擦系数。试验在相同的频率下进行。其中，参考组(Baseline)的配方为没有任何分散剂的全配方油，剩下配方是分别在Baseline的基础上添加分散剂A、B、C、D、E。摩擦行为的变化是很明显的。分散剂B在任何温度下都增大了摩擦系数，分散剂A、C、D、E在低温下降低了摩擦系数，在80 ℃以上时，分散剂A、C、D、E增加摩擦系数。值得注意的是，分散剂E在温度高于120 ℃时会降低摩擦系数。可以推测，在低温时，分散剂对摩擦的影响主要是因为分散剂生成黏性薄膜；在高温时，分散剂和二硫代磷酸锌之间的化学作用是影响摩擦的主要因素。

图4显示了不同的清净剂对摩擦的影响。可以看出，大多数清净剂都和基线靠的很近，这表明在测试条件下清净剂对摩擦的影响非常小。值得关注的是，清净剂B在整个试验过程中都是增加摩擦的，分散剂F在整个试验过程中都是降低摩擦的。

图4清净剂对摩擦的影响

图5抗磨剂对摩擦的影响

图5显示了抗磨剂对摩擦的影响。3种不同的二硫代磷酸锌盐同没有任何抗磨剂的基线做了对比。数据显示，具有较低活化温度的抗磨剂A和B在低温下活跃，能够形成一层抗磨薄膜，从而增加摩擦。随着温度的上升，膜变得更加均匀更加平滑，结果是与基线相比摩擦系数会降低。抗磨剂A用量一半的配方那组，显示了相类似的结果，但是在低温时与基线靠的很近高温时摩擦系数降的也很低。抗磨剂C具有较高的活化温度，在低温下，不会干扰摩擦间的接触，但是随着温度的升高，抗磨层开始形成，摩擦增加，温度没有达到足够高，无法形成完整的抗磨层，最后摩擦系数又将降低。

图6显示了发动机转速和载荷同燃料消耗改善的关系。相对于没有摩擦改进剂的5W-30，摩擦改进剂E和摩擦改进剂F两者都表现出了明显的燃油消耗改善。值得关注的是，摩擦改进剂F似乎在低速大负荷时更加有效，这表明摩擦改进剂F改善了边界润滑。加有摩擦改进剂的5W-30同没有加摩擦改进剂的15W-40相比，燃油改善从低速大负荷的1 g/kW·h(0.5%的燃油经济性改善)到高速小负荷的5 g/kW·h(2.5%的燃油经济性改善)。这其中，添加剂导致的改善和黏度降低导致的改善比例大概为1∶3。

图6 在Volvo D12D试验中摩擦改进剂对燃油经济性的影响

2.2 黏度的影响

在内燃机工作过程中，轴承受到很高的冲击载荷，发动机油在轴承处的油膜温度高达140～160 ℃，受到约106s-1高速率的剪切。如果油膜强度得不到保持，往往会引起轴承各种故障的发生，严重时还可能发生烧结。HTHS黏度通常被认为是多级发动机油在缸套活塞组和连杆轴承区域的真实黏度，对发动机燃油经济性有很大的影响。

运动黏度是衡量发动机油油膜强度、流动性的重要指标之一，可以反映油品内摩擦力的大小。发动机油运动黏度越大，其油膜强度越高，黏附性越好，但流动性会变差，摩擦阻力也会随之增大，从而使油耗增加；反之，发动机油运动黏度越小，其流动性越好，摩擦阻力越小，从而降低油耗，但运动黏度过小可能会造成磨损的增加。

Van Dam[4]等人研究了不同黏度等级的柴油机油的燃油经济性，图7是不同黏度等级的机油在Volvo D12D燃油经济性测试中的官方结果。测试以15W-30为参考油。由图7可知，5W-30机油相对于15W-30的机油燃油经济性有0.3%～0.5%的提升，10W-30机油相对于15W-30的机油燃油经济性有0.2%左右的提升。15W-40、10W-40、5W-40相对于15W-30的机油燃油经济性则分别降低0.7%、0.5%和0.3%。X-30的油燃油经济性普遍高于X-40的油。

图7 不同黏度等级的机油在Volvo D12D燃油

研究人员[5]研究了燃油经济性同低温动力黏度(CCS)、100 ℃运动黏度以及高温高剪切黏度的关系，见图8～图10。

图8 燃油经济性提升同-20℃低温动力黏度的关系

图8表示的是燃油经济性提升同-20 ℃的低温动力黏度的关系。拟合的结果显示，R2的值为0.45,表明低温动力黏度的大小同燃油经济性关联不大。这个结果可以预料，因为在测量燃油消耗之前，发动机就已经进行过预热，测试中机油的使用温度超过100 ℃。

图9 燃油经济性同100℃运动黏度的关系

燃油经济性同100 ℃运动黏度的关系见图9，相关性R2的值为0.64，表明100 ℃运动黏度同燃油经济性的关联程度不大。

图10 新油的高温高剪切黏度(HTHS)同燃油经济性的关系

新油的高温高剪切黏度(HTHS)同燃油经济性的关系见图6。R2为0.78，同前两个因素相比，相关性明显提高。在所述3个黏度参数中，高温高剪切黏度同燃油经济性的关联程度最大。在发动机内部，机油对燃油经济性的影响确实体现在剪切黏度上。关键问题是，什么程度的剪切才能恰当地反映机油对燃油经济性的贡献。HTHS测试方法中，机油经过106s-1程度的剪切，这将会造成黏度的暂时损失。Kurt-Ohrban剪切稳定性测试(也叫Bosch剪切测试)是比HTHS更加严格的剪切测试方法。经过Kurt-Ohrban剪切稳定性测试后，机油的黏度损失是永久性的。

图11、图12显示的是经过90个Kurt-Ohrban剪切稳定性测试循环后的100 ℃运动黏度和高温高剪切黏度同燃油经济性的关联。R2的值分别为0.91和0.92，表明经过永久黏度损失后，100 ℃运动黏度和高温高剪切黏度同燃油经济性的关联性明显提升。

图11 90个Bosch剪切测试循环后的100℃运动黏度同燃油经济性的关系

图12 90个Bosch剪切测试循环后的高温高剪切黏度同燃油经济性的关系

Volvo D12D旧油的HTHS同燃油经济性的关系见图13。R2值为0.87，这个结果同图8的结果是一致的，进一步说明经过永久剪切损失后的黏度同燃油经济性关联性最强。

图13 Volvo D12D试验旧油的高温高剪切黏度同燃油经济性的关系

由图11、图12、图13可知，在一定黏度范围内，经过永久剪切后的黏度越低，燃油经济性越好。

2.3 基础油的影响

Igarashi[6]等研究了不同类型的基础油对燃油经济性的影响。结果表明：在相同的运动黏度和高温高剪切黏度下，采用加氢精制基础油调合得到的油品，其平均燃油经济性要比溶剂精制基础油调合所得油品高0.8%左右。高黏度指数的API Ⅲ类加氢基础油和Ⅳ类合成基础油比API Ⅰ类、Ⅱ类基础油节能性优越。

此外也有不少研究者[7-8]发现，对于具有相同HTHS黏度的油品，提高其黏度指数可以改善油品的燃油经济性。这主要是因为提高黏度指数可以减少轴承的摩擦，其结果是降低了能量损失，有利于燃油经济性的提升。

2.4 温度的影响

余嘉敏[9]用试验和回归分析的方法研究了冷却水和润滑油温度对柴油机燃油经济性的影响。结果表明，冷却水和润滑油的温度对柴油机油耗有较大的影响，当柴油机处于低转速、部分负荷、低冷却水与润滑油的温度下工作时，其影响更大。

黎谦[10]研究了启动阶段温度对燃油经济性的影响，试验结果表明，随着发动机润滑油温度的升高，整车综合油耗成线性关系降低，温度从22.7 ℃升至27.4 ℃，综合油耗下降2.33%。

3 结论

(1)提升燃油经济性需要使用摩擦改进剂，添加剂包中的其他组分必须是能够优化摩擦的配方。

(2)10W-30、5W-30的柴油机油相比5W-40、10W-40、15W-40具有更好的燃油经济性。高温高剪切黏度同燃油经济性具有线性关系。

(3)高黏度指数的API Ⅲ类加氢基础油和Ⅳ类合成基础油比Ⅰ类、Ⅱ类基础油更具有燃油经济性。

(4)润滑油温度对燃油经济性也有一定的影响。